低溫等離子廢氣處理技術(shù)真成了人人喊打的過(guò)街老鼠？

了解低溫等離子技術(shù)

當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的放電電壓時(shí)，氣體被擊穿，產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體。利用這些高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生分解，以達(dá)到降解污染物的目的。有機(jī)化合物最終產(chǎn)物為CO₂、CO和H₂O。若有機(jī)物是氯代物，則產(chǎn)物應(yīng)加上氯化物，而無(wú)中間副產(chǎn)物。降低了有機(jī)物的毒性，同時(shí)避免了其他方法中的后期處理問(wèn)題。

等離子體按粒子溫度可分為平衡態(tài)（電子溫度=離子溫度）與非平衡態(tài)（電子溫度>>離子溫度）兩類。非平衡態(tài)等離子體電子溫度可上萬(wàn)度，離子及中性離子可低至室溫，即體系表觀溫度仍很低，故稱“低溫等離子體”，一般由氣體放電產(chǎn)生。氣體放電有多種形式，其中工業(yè)上使用的主要是電暈放電（在去除廢氣中的油塵上應(yīng)用已相當(dāng)成熟）和介質(zhì)阻擋放電（用于廢氣中難降解物質(zhì)的去除）兩種。等離子體法的優(yōu)點(diǎn)是處理 VOCs 濃度范圍廣，去除率高，無(wú)二次污染，但是單位處理量降解能耗偏高，并且裝置放大受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)限制，目前較多協(xié)同催化、吸附等方法處理 VOCs。

低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生的，所謂氣體放電是指，通過(guò)某種機(jī)制使一個(gè)或幾個(gè)電子從氣體原子或分子中電離出來(lái)，形成的氣體媒質(zhì)稱為電離氣體，如果電離氣體由外電場(chǎng)產(chǎn)生并形成傳導(dǎo)電流，這種現(xiàn)象稱為氣體放電。放電方式可分為輝光放電（Glow discharge）、電暈放電（Corona discharge）、介質(zhì)阻擋放電（Dielectric barrier discharge，DBD）、射頻放電（Radio frequency discharge）及微波放電（Microwave discharge）等。輝光放電通常在低氣壓下進(jìn)行，所需的放電電壓較低、電子的能量也較低；電暈放電可在常壓下進(jìn)行，但能量過(guò)于集中，很難獲得大體積的等離子體；介質(zhì)阻擋放電則結(jié)合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以在常壓下產(chǎn)生大面積的低溫等離子體；射頻放電和微波放電常用于無(wú)電極放電，可獲得純凈的等離子體。工業(yè)上使用的主要是電暈放電和介質(zhì)阻擋放電（用于廢氣中難降解物質(zhì)的去除）兩種。

低溫等離子體技術(shù)處理有機(jī)廢氣具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①　能耗低，可在室溫下與催化劑反應(yīng)，無(wú)需加熱；

②　使用便利，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)風(fēng)量變化以及現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)節(jié)；

③　不產(chǎn)生放射物；

④　尤其適于處理有氣味及低濃度大風(fēng)量的氣體。

缺點(diǎn)：

①　對(duì)水蒸氣比較敏感，當(dāng)水蒸氣含量高于5％時(shí)處理效率及效果將受到影響；

②　初始設(shè)備投資較高。

介質(zhì)阻擋放電（DBD）是最早得到應(yīng)用的放電方法之一，采用絕緣電介質(zhì)層將兩電極隔開(kāi)，介質(zhì)可以覆蓋在電極上或放置于電極之間，在兩電極間加上足夠高的交流電壓時(shí)，電極間隙的氣體就會(huì)擊穿，形成放電。

介質(zhì)阻擋放電雖然具有電子密度高和可在常壓下運(yùn)行的特點(diǎn)，雙介質(zhì)層的阻擋放電還避免了電極因參與反應(yīng)而發(fā)生的腐蝕問(wèn)題（因?yàn)殡姌O不直接與放電氣體發(fā)生接觸）。但是它在放電中有20%左右的電能轉(zhuǎn)化為熱能，影響了其能源利用率，這是極不經(jīng)濟(jì)的，所以介質(zhì)阻擋放電難以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

電暈放電可以在大氣壓下工作，屬于干法處理，不需要任何吸附劑、催化劑及其他任何助燃燃料，只需采用220V交流電，經(jīng)振蕩升壓裝置獲得高頻脈沖電場(chǎng)，產(chǎn)生高能量電子，轟擊分解廢氣中的惡臭、有毒的氣體分子。具有安全可靠、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、治理效率高、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn)。電暈放電反應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要參考電源的性質(zhì)而有所不同，有直流電暈放電（DC corona）和脈沖式（pulsed corona）電暈放電。電暈放電的條件包括：電場(chǎng)的形式、有無(wú)填料、電極材料和形狀等。電暈放電法包括脈沖電暈放電、直流電暈放電和交流電暈放電。

（1） 直流電暈放電法

直流電暈放電是在直流高壓作用下，利用電極間電場(chǎng)分布不均勻性而產(chǎn)生電暈的一種放電形式，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于靜電除塵等方面。直流電暈產(chǎn)生等離子體具有等離子體活性空間小，同時(shí)在略高的操作電壓下又極易被擊穿形成火花放電的缺點(diǎn)。

（2） 交流電暈放電法

交流電暈放電法在交流電壓作用下的電暈放電稱作交流電暈放電，交流電暈放電方式可有效減少電暈屏蔽的發(fā)生并且具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而便于實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，能夠更好提高電場(chǎng)的利用效率。

（3） 脈沖電暈放電法

脈沖電暈放電是通過(guò)脈沖電源產(chǎn)生的脈沖，使遷移率高的電子受到脈沖場(chǎng)強(qiáng)的加速來(lái)獲得足夠的能量，從而和污染物分子發(fā)生一系列反應(yīng)使污染物被分解去除。脈沖電暈放電中氣體分子易被激發(fā)電離，但產(chǎn)生的活性粒子少，所以整體效率較低。

對(duì)脈沖電暈放電法的研究表明，在反應(yīng)器中加入吸附劑可有效地提高去除率，在加入催化劑的情況下，不僅可使去除率進(jìn)一步提高，能耗也可減少。放電方式也是影響去除率的重要因素之一，比如正脈沖電暈處理有機(jī)廢氣的效果要優(yōu)于負(fù)脈沖的效果。也有研究表明電暈線以并聯(lián)的方式將有利于去除率的提高。

脈沖電暈的技術(shù)特點(diǎn)是：采用窄脈沖高壓電源供能，脈沖電壓的上升前沿極陡（上升時(shí)間為幾十至幾百納秒），峰寬也窄（幾微秒以內(nèi)），在極短的脈沖時(shí)間內(nèi)，電子被加速而成為高能電子，其它質(zhì)量較大的離子由于慣性大在脈沖瞬間內(nèi)來(lái)不及被加速而基本保持靜止。因此，放電所提供的能量大多用于產(chǎn)生高能電子，能量效率較高。

與其它放電方式相比，脈沖電暈還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）  脈沖電暈可在較高的峰值電壓下操作，而不像直流電暈?zāi)菢釉谏愿叩碾妷合戮腿菀走^(guò)渡到火花放電，其活性粒子濃度比直流電暈提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)；

（2）  在高電壓作用下，電暈區(qū)較大以及放電空間電子密度較高，同時(shí)空間電荷效應(yīng)也較明顯，使電子在反應(yīng)器內(nèi)趨于均勻分布，所以其活性空間也比直流電暈大得多；

（3）  由于電暈激發(fā)的電子密度大、分布廣，反應(yīng)器可以設(shè)計(jì)為較大空間，制造反應(yīng)器的允許誤差范圍放寬。

（4）  脈沖電暈雖然沒(méi)有電子束放電那樣處理效率高，但優(yōu)勢(shì)在于實(shí)際應(yīng)用和操作方面的簡(jiǎn)易方便性。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，脈沖電暈等離子分解廢氣中的污染物主要包括以下途徑，

（1）  高能級(jí)電子直接作用于污染物分子

    e + 污染物分子 → 各種碎片分子          

（2）  高能級(jí)電子間接作用于污染物分子

    e + O₂（N₂ ，H₂O）+ 2O（N，N^*，OH）+污染物分子→中性分子

由于等離子體電離度不高，當(dāng)氣體污染物濃度較高時(shí)，主要發(fā)生途徑（1）的反應(yīng)；當(dāng)氣體污染物的濃度較低時(shí)，途徑（2）成為主要反應(yīng)。

當(dāng)污染物含有氯、溴、硫等元素時(shí)，在脈沖電暈放電過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生一些有害中間產(chǎn)物（如 COCl₂、硫氧化物、氮氧化物等殘留目標(biāo)物），會(huì)對(duì)空氣造成二次污染。另外脈沖電暈產(chǎn)生的活性組分（如臭氧、羥基等自由基）沒(méi)有得到充分利用，當(dāng)與吸收劑連用時(shí)，會(huì)充分利用等離子體產(chǎn)生的活性組分，吸收二次污染物，提高去除率，進(jìn)而降低反應(yīng)能耗。

等離子體注入功率對(duì)脫除率影響最大，注入功率增加，脫除率增加，但副產(chǎn)物濃度也隨之增加（如下圖）。隨著氣體流速的增大而減?。S著氣體在反應(yīng)器里的停留時(shí)間增長(zhǎng)而增大，這一點(diǎn)對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義），隨著進(jìn)口濃度的減小而增大。依靠等離子體自身難以控制最終反應(yīng)產(chǎn)物分布及臭氧排放的難題。

等離子體注入功率對(duì)副產(chǎn)物分布影響

脈沖電暈法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)吸收法處理惡臭氣體是一項(xiàng)新技術(shù)，針對(duì)電暈脈沖法所存在的問(wèn)題有如下：

（1）設(shè)備研究及其相互匹配

目前關(guān)于脈沖電源的研制主要是往大功率方面發(fā)展，并積極開(kāi)展水蒸氣/氨活化、催化劑、吸收劑和廢氣治理一體化的研究。已經(jīng)研究的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)包括線-筒式、線-板式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式、點(diǎn)對(duì)板式、填充床式等多種結(jié)構(gòu)，其放電特性和去除廢氣效果也各不相同，近年來(lái)發(fā)展了脈沖電暈結(jié)合催化劑、脈沖電暈結(jié)合吸收劑等復(fù)合型等離子體反應(yīng)器。但在工業(yè)應(yīng)用中一般采用線-板式反應(yīng)器。對(duì)于兩者的匹配，即脈沖電源提供的能量有效地注入到反應(yīng)器里，以產(chǎn)生更多的自由基對(duì)廢氣進(jìn)行降解，也是需要進(jìn)一步研究。脈沖電源與反應(yīng)器的有效匹配對(duì)降低能耗、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加脈沖電源的功率及降低脈沖電源的造價(jià)等具有重要意義。但另一方面，匹配的有效性與脈沖電源特性、脈沖電源與反應(yīng)器的連接方法、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、廢氣成分、溫度濕度、副產(chǎn)物狀況等多方面因素相關(guān)，因此完成脈沖電源與反應(yīng)器匹配是比較困難的。

（2）設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)

采用脈沖電暈法處理部分含碳惡臭廢氣，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，電暈線表面容易附著一層焦油狀含碳聚合物，這一方面導(dǎo)致起始電壓上升，另一方面導(dǎo)致放電不均勻，增加能量消耗。在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果不能有效地對(duì)含碳聚合物進(jìn)行清理，只能對(duì)電極進(jìn)行更換，這將導(dǎo)致正常處理流程停止，對(duì)工廠運(yùn)行造成極大的影響。另外在處理過(guò)程中如果濕度過(guò)大，在反應(yīng)器內(nèi)部容易形成水霧，也會(huì)導(dǎo)致放電不均勻，導(dǎo)致處理效率低下等問(wèn)題。

(3) 有害中間產(chǎn)物的生成

對(duì)電源的要求很高，在分解VOCs分子的同時(shí)，還有一些有害副產(chǎn)物產(chǎn)生，如NOx、CO、O₃等。因此如何在低能耗的前提條件下，提高反應(yīng)條件如電場(chǎng)強(qiáng)度、停留時(shí)間等，增加二次處理裝置等方法減小或消除有害中間產(chǎn)物的生成。

簡(jiǎn)單的等離子體處理VOCs廢氣工藝流程

等離子體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

靜電收集器（ESPs）可對(duì)空氣中的眾多種類離子進(jìn)行吸附，在很大程度上可以減輕等離子反應(yīng)器的負(fù)擔(dān)，并可對(duì)等離子凈化過(guò)程產(chǎn)生的CO₂、H₂O進(jìn)行吸附，所以采用二者結(jié)合的裝置可較大提高效率。用等離子體反應(yīng)與靜電吸附結(jié)合拓寬了凈化粒子范圍，系統(tǒng)耗電少，電流密度<0.3mA /m²；但初期投資較大。干燥時(shí)凈化效率比潮濕時(shí)高，因水分子較多時(shí)，有較大部分能量用于分解水。